封面解讀
飛濺是粉末床激光熔融 (Laser Powder Bed Fusion, LPBF) 增材制造過程中的常見副產(chǎn)物，具有數(shù)量多、難去除、危害大等特點。飛濺行為與成形質(zhì)量關(guān)聯(lián)密切，易誘發(fā)冶金缺陷并降低構(gòu)件性能，其影響在多光束 LPBF 中制造大型構(gòu)件時更為嚴(yán)重。然而，目前 LPBF 飛濺研究綜述報道還非常有限。
中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)聯(lián)合清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、廣州德擎光學(xué)科技有限公司、鑫精合激光科技發(fā)展 (北京) 有限公司、武漢科技大學(xué)、重慶大學(xué)、寧波大學(xué)、首都航天機械有限公司、上海航天精密機械研究所、南京鋮聯(lián)激光科技有限公司、瑞典查爾姆斯理工大學(xué)等國內(nèi)外“增材制造與激光制造”領(lǐng)域優(yōu)勢單位精心打磨、共同合作，在Micromachines上發(fā)表了綜述，從本期208篇文章中脫穎而出，入選期刊封面文章。文章回顧了 LPBF 中飛濺的原位在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展；較全面地闡述了飛濺產(chǎn)生機理、影響危害及其應(yīng)對策略；綜述了冷/熱飛濺的多源監(jiān)測技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上提出了針對飛濺出射全周期的在線監(jiān)控與應(yīng)對措施，為新一代高效智能 LPBF 系統(tǒng)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，具有重要的科學(xué)意義與工程應(yīng)用價值。
團隊介紹
珠寶學(xué)院激光先進(jìn)制造團隊將繼續(xù)努力，深入探索珠寶首飾數(shù)字設(shè)計與先進(jìn)制造領(lǐng)域?qū)W科前沿，以更優(yōu)異的科研成果服務(wù)產(chǎn)業(yè)，向中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)70周年校慶和珠寶學(xué)院建院30周年獻(xiàn)禮。
第一作者
李正 副教授
中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)
中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)珠寶學(xué)院副教授，瑪麗女王倫敦大學(xué)材料科學(xué)博士，“地大學(xué)者”青年優(yōu)秀人才 (2019)。主要研究領(lǐng)域為銅合金增材制造和礦物陶瓷 3D 打印。先后主持湖北省自然基金面上項目、武漢市科技局項目、湖北省揭榜制科技項目課題。發(fā)表高水平 SCI 學(xué)術(shù)論文20余篇，其中入選Carbon等期刊封面文章3篇，Journal of Material Chemistry C期刊熱點文章1篇，擔(dān)任10余個國際學(xué)術(shù)期刊審稿人。負(fù)責(zé)某型號水下動力裝置研發(fā)，受理和授權(quán)發(fā)明專利6項，獲湖北省專利獎銀獎1項。
通訊作者
殷杰 教授
中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)
中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)珠寶學(xué)院教授/博導(dǎo)，“地大學(xué)者”青年拔尖人才。主要研究領(lǐng)域為激光先進(jìn)制造/激光與物質(zhì)相互作用。先后主持國家自然科學(xué)基金、國防973子課題、上海航天科技創(chuàng)新重點基金 (結(jié)題成果優(yōu)秀)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助等項目。發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇 (近五年5篇代表作總影響因子為55.5)，Google Scholar 被引超2000次，3篇入選 ESI/F5000 高被引論文，2篇入選封面論文，獲增材制造前沿國際學(xué)術(shù)會議最佳論文獎等獎勵。完成省級科技成果鑒定1項 (整體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平)，參編行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項，受理和授權(quán)發(fā)明專利6項。受邀擔(dān)任 RAAM，LIMA 等國際學(xué)術(shù)會議的分會主席并作邀請報告。擔(dān)任Micromachines等國際學(xué)術(shù)期刊編委及20個學(xué)術(shù)期刊審稿人。在科睿唯安作者影響力射束圖中全部論文的引文百分位中位數(shù)為92%，近12個月學(xué)術(shù)評審貢獻(xiàn)百分位為96%。
團隊負(fù)責(zé)人
郝亮 教授
中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)
中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)珠寶學(xué)院教授/博導(dǎo)、副院長，先進(jìn)制造研究所所長，湖北省海外高層次專家，湖北省特種加工協(xié)會副理事長。作為中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)先進(jìn)設(shè)計與制造團隊負(fù)責(zé)人與英國空中客車等企業(yè)合作開展了輕質(zhì)航空構(gòu)件的低碳設(shè)計制造技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用示范，通過跨學(xué)科交叉 (設(shè)計、制造與計算機等) 數(shù)字經(jīng)濟項目研發(fā)了規(guī)模化實物產(chǎn)品共享制造與價值共創(chuàng)模式，獲得了世界知名 CAD/CAM 軟件公司 DELCAM 的支持。在英國期間主持/參與超過300萬英磅的研究項目 (含兩項大型歐盟項目)，研發(fā)了世界首個粉末床激光熔融輕量化鈦合金構(gòu)件并經(jīng)過航天飛行測試 (2009)。回國后主持/參與國家自然基金面上項目2項、國家重點研發(fā)計劃、國際合作交流項目和湖北省揭榜制科技項目及多項省部級資助項目。在國內(nèi)外核心期刊與重要會議發(fā)表100余篇論文，含5篇高被引論文，獲批發(fā)明專利12項，撰寫相關(guān)英文學(xué)術(shù)著作5部。被引次數(shù)超過10,000次，H-index 為49。
綜述內(nèi)容
1、原位監(jiān)測
相較于熔池，LPBF 成形中的飛濺具有種類多 (常溫冷飛濺/高溫?zé)犸w濺)、數(shù)量大 (每秒103~104個) 和難預(yù)測 (3D 隨機性) 等特點，其原位在線監(jiān)測手段更為復(fù)雜。本文提出綜合運用“同軸高時間分辨逐點監(jiān)測飛濺運動狀態(tài) + 旁軸高空間分辨層間監(jiān)測飛濺回落分布”新方法，以實現(xiàn)對 LPBF 飛濺“產(chǎn)生-出射-回落”全周期的原位在線監(jiān)測。
2、產(chǎn)生機理
3、影響危害
與原始粉末相比，飛濺顆粒的化學(xué)成分、形狀尺寸變化顯著，在對 LPBF 設(shè)備造成危害 (粉床刮刀、光學(xué)元件等) 的同時，一部分飛濺顆粒回落到加工區(qū)域還會誘發(fā)當(dāng)前批次的成形缺陷，另一部分回落到非加工區(qū)域成為回收粉末夾雜顆粒，會影響粉末可循環(huán)次數(shù)及后續(xù)批次的成形質(zhì)量。
4、應(yīng)對措施
本文提出將抑制 LPBF 飛濺的措施貫穿到飛濺出射全周期過程中：在飛濺出射前，采用優(yōu)化激光體能量密度、調(diào)整激光模式以及提高成形腔壓力等方法，可有效抑制飛濺的產(chǎn)生；在飛濺出射后，優(yōu)化氣體流場以及改變惰性氣體組分，可以顯著提高飛濺的去除效率。
結(jié)論與展望
LPBF 作為最具潛力、最熱門的金屬增材制造技術(shù)之一，可以實現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的快速成形，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、珠寶等行業(yè)。然而，飛濺作為 LPBF 中常見的副產(chǎn)物，對成形質(zhì)量影響顯著，且直接關(guān)乎成形的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。與 LPBF 熔池及焊接飛濺相比，LPBF 飛濺原位在線監(jiān)測難度高、成形機理復(fù)雜、影響危害大。目前多種飛濺的監(jiān)測技術(shù)已得到廣泛研究，熔池“液基”出射熔滴飛濺和基板“固基”出射粉末飛濺的產(chǎn)生機理均得到驗證，其對設(shè)備、構(gòu)件、回收粉末的影響也得到了針對性的抑制和去除，這對 LPBF 構(gòu)件控形控性研究具有重要價值。
本文分別從原位在線監(jiān)測、產(chǎn)生機理、影響危害和應(yīng)對措施等4個方面進(jìn)行了較全面地綜述，著重闡述了 LPBF 中冷/熱飛濺的原位在線監(jiān)測技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上提出了針對飛濺出射全周期的監(jiān)測方法，進(jìn)而論述了單/多光束 LPBF 中飛濺的產(chǎn)生機理、影響危害及應(yīng)對措施，為今后飛濺原位在線監(jiān)測與質(zhì)量調(diào)控提供了借鑒。
從長遠(yuǎn)來看，飛濺在多光束大尺寸 LPBF 設(shè)備中的監(jiān)控仍面臨巨大挑戰(zhàn) (多光束導(dǎo)致飛濺數(shù)量更多，大幅面導(dǎo)致除塵流場更復(fù)雜)，未來探明復(fù)雜環(huán)境中飛濺的成形機理，發(fā)展基于深度學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生的多波段耦合原位在線監(jiān)測技術(shù)、高效處理算法與應(yīng)對措施仍是研究的重點和難點。目前商業(yè)上已經(jīng)出現(xiàn)了對熔池的原位在線監(jiān)測方案，但未見商業(yè)的LPBF 飛濺原位在線監(jiān)測模塊。因此，本綜述對于新一代高效智能 LPBF 系統(tǒng)的發(fā)展具有重要科學(xué)意義與工程價值。
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